徐丽娜
(晋能控股煤业集团 永定庄煤业公司创新公司，山西 大同 037003)
在煤矿物料输送过程中，带式输送机是最重要的物料输送机电设备[1]。随着当前煤矿井下工作强度的不断增加，煤矿带式输送机的运量变得越来越大，在长时间运行过程中时常会出现带式输送机故障[2]。输送带是带式输送机中的关键部件，起着承载作用和物料输送作用。当输送带在长期的、高负荷的复杂环境中运行时，它的可靠性会有所下降，尤其在每一个转载点非常容易受尖锐物的作用而出现纵撕。且输送带在长期运行过程中非常容易引起内部断丝，当内部的断丝达到一定程度将会引起输送带的断裂，从而引发带式输送机断带事故[3-5]。带式输送机输送带是由内部钢丝和外部橡胶通过硫化而成，由于内部钢丝绳的断丝检测非常困难，所以现有的检测技术主要是采用外部检测，外部检测无法建立钢丝绳内部可视化模型，导致最终的检测效果不好，因而当前检测容易出现检测结果不准确、检测成本较高、检测劳动强度大等问题[6]。笔者对带式输送机断丝、断带和纵撕三类常见故障进行分析，提出了一种输送带智能检测系统设计方案，该方案可以准确采集输送带内部钢丝绳断丝情况，可视化监控输送带内部钢丝绳分布，有效避免输送带出现断带和纵撕事故，保证煤矿的安全生产。
输送带是带式输送机上的关键部件，起到承载物料和输送物料的作用。随着煤矿运量的不断增加，输送带在长时间满载运行过程中会出现纵撕、断带和断丝故障，非常容易引起煤矿事故[7]。
(1) 输送带纵撕故障原因及特征
从钢丝绳芯输送带的运行过程来看，输送带在实际运行过程中经常会掺杂着大量的角钢和槽钢等物质，这些物质有尖锐的边口，容易扎破输送带；
当巷道出现冒顶事故时，有比较大的石头掉落，输送带容易受到尖锐物冲击导致出现纵撕。
(2) 输送带断带故障原因及特征
输送带本身处于张紧状态，内部含有应力作用，所以输送带的断带往往都表现为突然的断裂，断带后输送带内部能量会释放进而产生比较大的声音以及剧烈的机械能。断带原因主要有：输送带内部钢丝绳的断丝、腐蚀以及锈蚀等降低了输送带的强度；
输送带硫化接头断裂或损伤导致在接头位置处出现断裂。输送带的断带故障以输送带的变形作为特征，并以内部钢丝断裂和变形作为事故的苗头，为此在输送带断丝的监测过程需要重点对内部的钢丝绳进行检测，对接头位置的钢丝绳变形进行检测，加强对钢丝绳输送带的横向断裂检测[8]。
(3) 输送带断丝故障原因及特征
输送带钢丝绳的断丝不同于钢丝绳的断带和纵撕，它发生在输送带的内部，由于外部由橡胶包裹，因此对断丝的检测比较困难[9]。一般而言，内部钢丝绳的断丝包括局部断丝、钢丝绳交叉断丝、钢丝绳锈蚀断丝等多种形式，当断丝积累到一定程度会引起输送带断带，所以需要对输送带内部断丝进行监测以预测输送带的状态。传统输送带的纵撕、断带和断丝的检测一直是由检测工人完成，检测过程需要使整个生产线停下来，工人的劳动强度比较大，检测准确度不高，并且伴随着危险工况非常容易出现人员伤亡，图1所示为输送带纵撕和断丝的传统检测现场图。
图1 输送带纵撕与断带检测技术
通过对钢丝绳芯输送带纵撕、断带和断丝故障进行分析可以得出，输送带的纵撕断带事故往往都是由于内部断丝所造成的，输送带故障的识别与监测最主要的是对输送带中钢丝绳的监测，当检测到内部断丝时及时进行更换，可以有效避免输送带的断带事故。
2.1 纵撕监测系统方案
输送带纵撕智能监测系统以纵撕监测控制模块为核心，主要由激光发生器、摄像仪、输送带纵撕监测装置主机、服务器和声光报警系统等部分组成，图2所示为纵撕智能监测系统总体技术方案。
图2 输送带纵撕监测系统总体技术方案
如图2所示，纵撕监测系统主要是通过激光发射装置对输送带下表面发射激光，激光扫描后显示出完整的皮带表面的轮廓，然后由本安型摄像仪(1 024×768的高分辨率)对输送带进行高清拍摄。该摄像仪拍摄速度最高达到了82帧/s，它具有30 cm的纵向视野、0.3 μs的曝光时间，可以在皮带运动速度≤32 m/s的情况下保证采集信号的完整性。图3所示为总体监测方案布置图。
图3 纵撕总体监测方案
将采集到的数据通过数据传输总线输入纵撕监测模块中，对图像信号进行处理和分析，通过井下以太环网将数据发送到上位机监控系统，得出是否发生纵撕故障。当出现纵撕故障时，将会在0.35 s的时间内触发声光报警器，并通知附近的人员进行维修。
2.2 断带监测系统方案
为了避免带式输送机在实际运行过程中发生断带事故，需要采集输送带的实际运行参数，为此，设计了多重信号断带监测系统方案。图4所示为断带监测系统方案示意图，多重信号监测包括对输送带的带速检测、输送带的张力检测、驱动电机的电流信号检测以及输送带断裂状态检测，通过全方位的监测系统保证输送带在断带前进行预警。
图4 断带监测系统方案
带速信号编码器监测是四重信号监测系统的核心，根据国内多例输送带的断带事故分析可知，断带事故发生在输送带最大张力点附近的概率达到95%左右。利用动张力分析法逐点分析可知，对于上运式输送机，张力最大的点出现在输送带与驱动滚筒的切入点。如图4所示，沿输送带布置了5个旋转编码器，一个编码器位于机头驱动滚筒的主轴上，用于实时监测驱动滚筒的速度，两个编码器分别位于承载输送带分支的下方，另有两个编码器位于回程分支的输送带的下方。在输送机系统正常工作的过程中，输送带转动带动编码器一起运动，信号采集系统即可通过采集编码器运行的信息来判断输送带的运行情况。
2.3 断丝监测系统方案
输送带的断丝发生在胶带的内部，要想对内部的钢丝绳进行检测需要使用穿透射线进行照射。为此在断丝监测系统中使用的是X射线。X射线的发射箱是由X射线的发送装置、接收装置、电路控制装置和上位机系统组成，X射线发射装置安装在带式输送机的正下方，用于输送带信息的准确采集，其会形成一条绿色的检测线，穿透输送带的外表面直接进入内部钢丝层。图5所示为X射线断丝监测系统方案。
图5 X射线断丝监测系统方案
如图5所示，X射线断丝监测系统总体方案主要由X射线发射装置、电路控制模块、工控机和上位机监控系统等部分组成，由X射线发射模块和电路系统组成了X射线处理箱，可以对带式输送机照射X射线并接收X射线的反馈信息，其中X射线发射装置布置在输送带的下方，便于准确使用X射线对输送带进行照射，电路控制模块主要由多种电路相互连接而成。
为了验证输送带纵撕、断带和断丝监测系统方案的正确性和合理性，在山西大同煤矿进行现场系统方案设计布置和应用，图6所示为智能监测系统方案图，其中图6(a)所示为智能监测硬件结构，图6(b)为软件监控系统界面。
图6 硬件装置和上位机监控系统
采用纵撕、断带和断丝监测系统对现场应用的长1 500 m的输送带进行检测，并对所有的故障信息进行统计和自动生成历史数据，可以得到如图7所示的现场故障类型和输送带内部钢丝绳效果图。
图7 输送带纵撕断丝断带检测系统应用效果
通过现场应用得出，该套带式输送机纵撕断带断丝监测系统可以在输送带动态运行过程中完成对内部钢丝绳的检测，采用穿透性较强的X射线对输送带内部和外表面进行智能检测，避免停机，大大减轻工人的劳动强度。在上位机端显示出内部钢丝的动态影像图谱，可以清楚识别内部故障，实现了自动采集数据，自动分析和自动报警，并且可以对异常位置进行准确标定，识别准确率≥98.6%，误报率≤1.4%，缺陷的定位误差≤150 mm，取得了良好的应用效果。
针对带式输送机输送带常见纵撕、断带和断丝故障检测困难的问题，通过输送带纵撕、断带和断丝特征分析，提出了输送带纵撕、断带和断丝智能监测系统设计方案，并对总体方案进行了现场测试，现场应用表明，这套智能监测系统可以准确采集输送带内部断丝状况，有效避免煤矿事故发生，对于保证带式输送机的稳定运行具有非常重要的作用和意义；
整个监测系统的识别准确率高达98.6%，缺陷定位误差≤150 mm，具有良好的应用效果和巨大的经济效益。
